Maschinensteuerung: Steuerung mit offenem / geschlossenem Regelkreis

Hallo Mechatroniker!

Willkommen zu einer neuen Ausgabe des SINADRIVES-Blogs mit dem Thema: Steuerung mit offenem / geschlossenem Regelkreis

Juni 2021

In der Elektrotechnik nehmen Steuerungsverfahren einen großen Teil ihrer Agenda ein, und in den letzten Jahren wurde eine umfangreiche Literatur zu diesem Thema verfasst. Es ist jedoch nicht das Ziel dieses Artikels, sich mit den Details zu befassen, sondern den weniger Experten in das Konzept des Regelkreises einzuführen.

In unserem täglichen Leben verwenden wir alle Kontrollbindungen, wenn auch unbewusst, in vielen Aspekten des Alltags. Wir überwachen ständig verschiedene Größen, sei es die Raumtemperatur, die Geschwindigkeit des Autos oder die Position einer Achse mit einem Linearmotor.

In all diesen Fällen haben wir eine Reihe von Konzepten, die sich wiederholen. Wir haben eine Größe, die wir steuern möchten (Temperatur, Geschwindigkeit, Position usw.); und einen Referenzwert, beispielsweise 22ºC, 50 km / h oder 356 mm.
Darüber hinaus enthält das System immer einen Auslöser, mit dem wir die Ausgangsmenge beeinflussen können, sei es ein einfaches Ventil oder eine komplexe elektronische Platine. Und ein Messelement, um zu überprüfen, ob der Wert der Ausgabe der gewünschte ist.

Nachdem wir die Grundkonzepte eines Steuerungssystems aufgeschlüsselt haben, können wir zur nächsten Ebene übergehen, wo wir sehen werden, was ein Regelkreis ist und wie er funktioniert.

Die Steuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass kein Messsystem zur Bewertung des Ausgabewerts eingebaut ist oder dass es vorhanden ist, aber den Eingabewert nicht beeinflusst. Die Regelung basiert auf Erfahrungen oder Ergebnissen früherer Messungen.

Um es grafisch darzustellen, stellen wir uns vor, wir haben ein Auto, bei dem wir aus früheren Erfahrungen wissen, dass seine Geschwindigkeit im Verhältnis zum Drücken des Gaspedals von 0 auf 100 km / h steigt.
Wir wollen die Geschwindigkeit des Autos kontrollieren. Dies wird unsere Ausgangsgröße sein. Die Referenzgeschwindigkeit in diesem Beispiel beträgt 50 km / h, daher müssen wir das Gaspedal (Aktuator) bis zur Hälfte drücken.

Wenn wir mit dem selben Schema das Gaspedal nur 25% des Weges betätigen, sinkt die Geschwindigkeit des Autos um 25 km/h.
In der industriellen Welt finden wir diese Art der Steuerung, bei der keine hohe Präzision des Ausgabewerts erforderlich ist. Zum Beispiel können wir einen Asynchronmotor eines Förderbandes mit einem Frequenzumrichter regeln. In diesem Fall ist die Drehzahl des Motors proportional zur Frequenz der Spannung, die wir an den Motor anlegen. Es gibt jedoch kein Element, das überprüft, ob die Drehzahl korrekt ist.
Wir können das aktuelle Schema erweitern, indem wir ein Messelement einsetzen, einen Sensor, der den Ausgangswert unseres Systems misst. Im Falle des Autos ein Tacho, der die tatsächliche Geschwindigkeit des Autos anzeigt.

Dieser Sensor gibt den tatsächlichen Wert des Ausgangs an, aber selbst wenn dieser Wert von der Referenz abweicht, ändert er den Eingang nicht automatisch.
In unserem Auto konnten wir sehen, dass die tatsächliche Geschwindigkeit beispielsweise 52 km / h anstelle der gewünschten 50 km / h beträgt, aber wir würden nicht auf das Gaspedal treten, um dies zu korrigieren.
In der Praxis würde der Bediener im Fall des Asynchronmotors die Geschwindigkeit des Förderbandes messen und den Referenzwert ändern, um die Leistung auf den tatsächlich erforderlichen Wert einzustellen. Von da an würde das System jedoch weiterhin im offenen Regelkreis arbeiten, da das Steuerungssystem die Geschwindigkeit nicht korrigiert, wenn ein externes Element die Geschwindigkeit ändert.

Die Regelung wird angezeigt, wenn die Abweichungen des Ausgangs von der Referenz automatisch korrigiert werden müssen.
Dies führt ein neues Element in das System ein, einen Automatismus oder Prozessor, der für die Auswertung der Sensorwerte und das entsprechende Handeln verantwortlich ist.

Im Fahrzeugbeispiel wäre dieser Prozessor der Fahrer. Wir sitzen mit einer Geschwindigkeit von 50 km / h im Fahrzeug und halten das Gaspedal halb gedrückt. Wir sehen die tatsächliche Geschwindigkeit durch den Tacho. Aber plötzlich gibt es einen Anstieg und ohne etwas zu berühren, beobachten wir, dass die Geschwindigkeit des Autos auf 30 km / h sinkt. Wir werden diesen Unterschied zwischen der Referenz und dem realen Wert als Fehler bezeichnen.

Da wir uns in einem Regelungsmodell befinden, treten wir automatisch auf das Gaspedal, bis wir sehen, dass die Geschwindigkeit wieder 50 km / h beträgt.
Wir haben den Fehler bereits behoben, aber wie lange hat es gedauert?

Wie wir auf dem Bild sehen können, können wir ständig auf das Pedal treten und den Ausgangswert schrittweise erhöhen, bis wir 50 km / h erreichen. Dies ist jedoch ineffektiv, da wir so schnell wie möglich reagieren möchten. Dann werden wir sehen, wie wir dieses Verhalten verbessern müssen, bis wir die berühmte PID erreichen.

Ein logischer Gedanke zur Verbesserung der Reaktionszeit wäre, dass wir, wenn der Fehler sehr hoch ist, mit größerer Stärke handeln können (das Pedal stärker drücken), und wenn der Fehler verringert wird, handeln wir weniger.
Bei der proportionalen Kontrolle verwenden wir die Informationen, über die wir in der Gegenwart verfügen, und wenden darauf basierend eine Korrektur an. Wir messen den Fehler, multiplizieren ihn mit einer Konstanten P und handeln. Im

nächsten Moment messen wir den Fehler erneut (der geringer sein wird, da wir bereits einen Teil korrigiert haben), multiplizieren ihn mit P und handeln.

Wie wir in der Grafik sehen, ist die Korrektur viel schneller, aber wir erreichen niemals den Fehler Null, da wir ihn, egal wie niedrig er ist, mit P multiplizieren werden, um die Korrektur anzuwenden.
Je höher der Wert von P ist, desto kürzer ist die Korrekturzeit. Es kann jedoch nicht unendlich erhöht werden, da ab einem bestimmten Wert die Korrektur, die wir in der Ausgabe anwenden, den vorherigen Fehler überschreitet, was das System zu Instabilität führt.

Um den Fehler auf Null zu reduzieren, wird der Proportionalregelung eine Integralkomponente hinzugefügt.
Dieses Steuerelement verwendet die übergebenen Daten und stellt dem System Speicher zur Verfügung. Genauso wie die Proportionalregelung nach dem aktuellen Fehler wirkt, wirkt die Integralregelung nach dem Fehler, den wir akkumuliert haben.
Um es auf das Beispiel des Autos anzuwenden, könnte es wie folgt erklärt werden: Wir haben es geschafft, die Geschwindigkeit schnell von 30 km / h auf einen Wert nahe 48 km / h zu korrigieren. Aber von hier an ist der Fehler gering und mit der Zeit steigen wir sehr langsam an (48,3, 48,5, 48,6, …). An diesem Punkt greift die integrale Steuerung ein und wendet eine zusätzliche Korrektur an, die gering ist, wenn wir schnell reagieren können. Aber das ist großartig, wenn das Auto in kurzer Zeit keine 50 km / h erreicht.

Diese Art der Steuerung fügt dem oben Gesagten eine weitere Komponente hinzu und versucht, auf zukünftige Daten zu reagieren.
Beobachten Sie grundsätzlich, wie schnell sich der Fehler ändert. Wenn wir von 50 km / h auf 40 km / h absteigen, wird eine zusätzliche Korrektur X angewendet. Wenn wir jedoch von 50 km/h auf 20 km/h abfallen, wird eine höhere Korrektur angewendet.
Dies gilt auch, während wir den Fehler korrigieren. Wir sehen, dass das Auto langsamer geworden ist und korrigieren es durch Betätigen des Gaspedals, aber wir sehen, dass der Fehler nur sehr wenig abnimmt und treten betätigen so stärker das Pedal. Dadurch wird der Fehler schneller korrigiert und wir keinen zusätzlichen Druck mehr aus.

Wir vereinen die drei oben genannten Korrekturarten und haben einen PID-Regler, der seit Beginn des letzten Jahrhunderts im Einsatz ist. Der heutige technologischeStand lässt eine größere Kapazität und Geschwindigkeit der Berechnungen zu; das sich so wieder auf die überwiegende Mehrheit der gegenwärtigen Automatismen auswirkt.

Wenn Sie weitere Informationen zu dem Thema Steuerung mit offenem/ geschlossenem Regelkreis bei der Anwendung mit Linearachsen wünschen, können Sie unsere Website (www.sinadrives.com) besuchen oder uns über einen Kommentar in diesem Blog kontaktieren.

Gerne stehen wir Ihnen auch telefonisch und persönlich zu diesem und allen anderen Themen zur Verfügung.

Wir sehen uns in der nächsten Ausgabe. Bis dahin alles Gute!

Ihr SINADRIVES Team.